页岩气储层中矿物介质组成复杂,尤其是海陆过渡相页岩,其复杂介质表面的孔隙孔径分布、介质表面组合以及孔隙形态等多方面具有强非均质性和多样性。而页岩介质间孔隙是页岩气生成、运输和富集的场所,页岩气在其空间内的吸附是赋存的关键所在。因此,准确表征海陆过渡相页岩气储层中复杂介质空间结构特征,明确其内部甲烷分布规律以及吸附行为,是指导页岩气储层勘探和生产的重要一环。本文以目前被视为重要的页岩气储层后备层系—川东南地区龙潭组海陆过渡相富有机质页岩为研究对象。系统全面的表征该层系中页岩孔隙结构,并基于实际孔隙结构特征建立了多组构、多尺度复杂介质表面组合孔隙模型;结合分子模拟、实验验证和理论模型计算,揭示了在复杂埋藏条件下甲烷在页岩中的动态吸附行为,并基于此对龙潭组页岩气含气性和提高采收率进行量化预测和评价,对后备页岩储层勘探开发具有重要意义。本论文取得的主要成果和认识如下:(1)针对龙潭组页岩复杂的孔隙结构特征,采用多视域、多尺度扫描电镜微孔鉴定技术,对孔隙结构优势分布参数进行剖析。龙潭组页岩主要孔隙类型为机质孔、微裂缝和粘土矿物孔,形态主要为狭缝形孔,圆形气泡孔以及椭球型气泡孔,粘土矿物间孔隙多呈定向-半定向分布,孔隙孔径分布范围广。分析结果表明纳米级-微米级有机质和粘土矿物孔隙大量发育。根据龙潭组页岩实际孔隙结构发育参数,基于有机质和粘土矿物分子结构,建立了的多尺度、多组构的复杂介质孔隙模型。(2)在超临界温压条件下,甲烷总吸附量在不同介质表面空间内整体上表现为有机质(石墨)>蒙脱石>伊利石>高岭石,有机质和粘土矿物表面对甲烷都具有较强的吸附能力。蒙脱石和伊利石界面带正电荷的阳离子,使得介质表面对甲烷分子具有更高的粒子间电力,能够明显的增强甲烷吸附相聚集程度。甲烷分子在压力情况下,可形成密度较低的多层吸附,在介质表面吸附的排列更加紧密和规则。在小孔径空间内,甲烷分子会受到强的排斥力影响,吸附质甲烷分子难以进入该空间内;随着孔隙尺度的增加,排斥力减弱至可忽略。孔隙内的流体吸附为一个动态的过程,当孔隙内过剩吸附量达到最大量时吸附热最小。在多尺度复杂介质表面的复合系统中,甲烷分子的吸附会同时受到介质表面性质、孔隙孔径、孔隙形态以及温压条件的综合影响,使得页岩中的甲烷吸附特征和机理复杂。(3)揭示了页岩等温吸附所存在的误差原因,并基于分子模拟提出了页岩内吸附结果校正方法。通过直接利用甲烷分子对理论可侵入体积进行标定,根据体积差异比例将孔径分为3个不同范围段以对应的校正系数进行校正,消除不同孔径对吸附计算的影响;将页岩中具有强吸附力的有机组分和无机粘土矿物组分分类考虑进行过剩吸附量校正。经校正后,过剩吸附量在低压情况下能够有更快的增长,从吸附的角度再次证明了页岩微孔-介孔发育程度较高;在高压时校正过剩吸附量下降趋势明显减弱,表明了页岩复杂介质表面所构成的孔隙空间具有强吸附力。(4)通过建立适用于圆柱形孔隙结构的改进的简化局部密度函数(E-SLD)对过剩吸附量进行快速预测。基于该理论模型可以明确地识别和区分吸附气体和游离气体分布特征,从孔壁到碳纳米管中心的离散密度分布在高压情况下可分别出多个甲烷分子层。同时,通过E-SLD模型计算得到圆柱形介质空间内甲烷过剩吸附量能够较好的匹配GCMC分子模拟结果和等温吸附实验结果。(5)建立了适用于龙潭组页岩储层的储集能力评级综合预测模型。根据含气量校正流程和评价方法,预测结果表明CLD-1井龙潭组页岩最大过剩吸附量为1.99-2.39 cm³/g。页岩在保存条件好的基础上,页岩气聚集丰富,含气量高,具有开发潜力;平面研究结果显示龙潭组地层泥页岩含气量同时受到温压条件和埋藏深度的影响,高过剩含气量区域主要分布在古蔺-习水地区以及永川-荣昌地区。(6)基于分子模拟的CO₂注入封存提高页岩气采收率研究,分析了甲烷采收率的变化规律和影响因素,针对龙潭组页岩进行提高采收率量化评价。与CH₄相比,粘土矿物介质表面对CO₂有着更强的吸附力,能够使CO₂把CH₄驱替出来而占据吸附空间。在不同的温度压力条件和多组分比例下,进一步量化评价了提高采收率、置换效率和CO₂-CH₄驱替效率;CO₂注入提高CH₄采收率与地层埋藏条件、CO₂注入量和注入时机密切相关,需要进行多方面综合考虑以达到最好效果。